Gas 优化概述

掌握 gas 优化技巧是每个严肃的 Solidity 开发者必备的技能。本系列文章将系统性地介绍各种 gas 优化技术，帮助大家编写更高效、更经济的智能合约。

Gas 机制与费用计算

在深入学习优化技巧之前，我们需要先理解以太坊的 Gas 机制以及交易费用是如何计算的。

什么是 Gas

Gas 是以太坊网络中用于衡量计算工作量的单位。每个 EVM 操作码都有固定的 gas 消耗：

• 简单的算术运算（如加法 ADD）消耗 3 gas
• 存储操作（如 SSTORE）根据情况消耗 2,900 至 20,000 gas
• 合约创建和复杂操作消耗更多 gas

一个交易的总 gas 消耗等于该交易执行过程中所有操作码 gas 消耗的总和。

EIP-1559 费用机制

2021 年 8 月，以太坊通过 EIP-1559 升级改变了交易费用的计算方式。在 EIP-1559 机制下，交易费用由两部分组成：

1. 基础费用（Base Fee）

• 由网络根据区块拥堵情况动态调整
• 当区块利用率超过 50% 时，基础费用上涨；低于 50% 时下降
• 每个区块最多可以调整 12.5%
• 基础费用会被销毁，不会分配给矿工/验证者

2. 优先费用（Priority Fee）

• 也称为"小费"（Tip），由用户设置
• 直接支付给验证者，激励他们优先打包交易
• 用户可以根据交易紧急程度自行设置

交易费用计算公式

交易费用 = Gas Used × (Base Fee + Priority Fee)

其中：

• Gas Used：交易实际消耗的 gas 数量
• Base Fee：当前区块的基础费用（单位：wei/gas 或 gwei/gas）
• Priority Fee：用户设置的优先费用（单位：wei/gas 或 gwei/gas）

Max Fee 和 Max Priority Fee

为了保护用户，EIP-1559 引入了两个上限参数：

• Max Fee Per Gas：用户愿意支付的最高总费用（包括基础费用和优先费用）
• Max Priority Fee Per Gas：用户愿意支付的最高优先费用

实际支付的费用计算如下：

实际费用 = Gas Used × min(Max Fee, Base Fee + min(Max Priority Fee, Max Fee - Base Fee))

多支付的部分会自动退还给用户。

费用计算示例

假设：

• Gas Used = 21,000（简单转账）
• Base Fee = 30 gwei
• Priority Fee = 2 gwei
• Max Fee = 100 gwei
• Max Priority Fee = 2 gwei

计算过程：

实际优先费用 = min(2 gwei, 100 gwei - 30 gwei) = 2 gwei
实际总费用每 gas = min(100 gwei, 30 gwei + 2 gwei) = 32 gwei
交易总费用 = 21,000 × 32 gwei = 672,000 gwei = 0.000672 ETH

其中：

• 基础费用：21,000 × 30 gwei = 630,000 gwei（被销毁）
• 优先费用：21,000 × 2 gwei = 42,000 gwei（支付给验证者）

Gas 优化的直接影响

从上述公式可以看出，降低 Gas Used 可以直接按比例减少交易费用。如果你能将合约的 gas 消耗从 100,000 降低到 80,000（减少 20%），那么用户的交易费用也会相应减少 20%。

这就是为什么 Gas 优化如此重要——它直接影响到每一位用户的钱包。

为什么 Gas 优化如此重要

在以太坊和其他兼容 EVM 的区块链上，每一次智能合约交互都需要消耗 gas。Gas 不仅是执行计算的成本，更是区块链资源的定价机制。对于开发者和用户而言，gas 优化的重要性体现在以下几个方面：

1. 降低用户成本

在以太坊主网上，gas 费用可能非常昂贵，特别是在网络拥堵时期。一个经过良好优化的智能合约可以为用户节省大量费用。例如，一个常见的 DeFi 操作如果能节省 20% 的 gas，对于频繁交易的用户来说，累积节省的成本可能相当可观。

2. 提升产品竞争力

在 DeFi、NFT 市场和其他 dApp 领域，gas 效率往往是产品竞争力的关键因素。用户会倾向于选择交易成本更低的平台。一个 gas 效率高的协议可以吸引更多用户，建立更好的市场声誉。

3. 扩展应用可能性

某些复杂的应用逻辑可能因为 gas 成本过高而无法在链上实现。通过优化，原本不可行的功能可能变得经济可行，从而扩展了智能合约的应用边界。

4. 避免达到交易 Gas 限制

每个交易都有 gas 限制，过于复杂的交易可能超过这个限制而无法执行。优化可以确保即使是复杂的操作也能在单个交易中完成。

尽管 Gas 优化很重要，但它不是万能药，我们依旧要知晓：

gas 优化技巧并非总是有效

某些 gas 优化技巧只在特定情况下有效。例如，直观上，以下代码：

if (!cond) {
    // branch False
}
else {
    // branch True
}

比以下代码效率更低

if (cond) {
    // branch True
}
else {
    // branch False
}

因为在条件取反时会消耗额外的操作码。令人意外的是，有很多情况下，这种优化实际上会增加交易的成本。Solidity 编译器有时是不可预测的。

因此，在选择特定算法之前，你应该实际测量替代方案的效果。考虑这些技巧可以认识到编译器一些可能会让人惊讶的地方。

本文档中一些技巧会被标记为非通用。Gas 优化技巧有时取决于编译器在本地的操作。通常应同时测试代码的最优版本和非最优版本，以查看是否真正获得了改进。我们将记录一些令人惊讶的情况，即本应导致优化的情况实际上导致了更高的成本。

其次，当使用 Solidity 编译器的 --via-ir 选项时，某些优化行为可能会发生变化。

注意复杂性和可读性

gas 优化通常会使代码变得更难读和更复杂。一个好的工程师必须在主观上权衡哪些优化是值得的，哪些不是。

如何使用本教程

学习本教程需要你具备一定的 Solidity 编程基础，推荐学习学习这套系统的Solidity 开发教程。

本教程专注于通用的、可广泛应用的 gas 优化技巧。从基础到高级。我们建议按以下方式学习：

1. 循序渐进：如果你是初学者，建议按章节顺序阅读，从基础优化技巧开始
2. 查缺补漏：如果你已有一定经验，可以浏览目录，重点学习不熟悉的部分

开始你的优化之旅

Gas 优化是一门既需要理论知识，也需要实践经验的技能。通过本系列教程的学习，你将能够：

• 识别代码中的 gas 效率问题
• 应用适当的优化技巧
• 在效率和可读性之间找到平衡
• 编写出更加经济高效的智能合约

让我们开始这段优化之旅，一起探索如何编写更加高效的 Solidity 代码！